ВНИМАНИЕ, МНОГО ТЕКСТА!!
В преддверии приближающегося третьего тестового запуска "IFT3" (или же "Starship Flight 3") ракеты "Starship" появляется всё больше подробностей касающихся целей данного полёта. На этот раз подопытными станут: корабль Starship S28 и ускоритель Super Heavy B10. А одной из главных целей, помимо выхода на орбиту, является- демонстрация возможности перекачки криогенных топлива и окислителя прямо на орбите, в состоянии невесомости.
И эта технология "орбитальной дозаправки" крайне важна для Старшипа, без неё дальше Земной орбиты не улетишь, ведь корабль будет выходить на орбиту с уже практически пустыми баками. Вообще, доставка на орбиту ста, двухсот, а может в будущем и трёхсот, тонн полезной нагрузки за раз, одно это уже огромное достижение. Но вот цели у компании "SpaceX" и лично у Илона Маска куда более далёкие- Луна, Марс и вся остальная Солнечная система. И именно по этому, без технологии "орбитальной дозаправки" никак не обойтись.
В рамках же данного, третьего тестового полёта предполагается перекачка 453 кг жидкого кислорода, внутри одного корабля Старшип, из одного бака в другой, из малого кислородного бака в носу корабля в основной большой кислородный бак.
В последующих тестах, конечно же, будут использоваться два корабля и куда большее количество топлива с окислителем, но с чего-то же нужно начинать.
Архитектура пилотируемого запуска ракетной системы "Starship" для полётов к Марсу (да, разберём на его примере) подразумевает наличие нескольких версий корабля:
- "Грузовой для Марса", перед полётом людей на красную планету предполагается отправлять несколько грузовых кораблей, которые доставят всё необходимое для пребывания там людей и даже с запасом на экстренный случай;
- "Пилотируемый для Марса", именно на нём и полетят люди в негостеприимные марсианские объятья, предполагается отправка до 100 человек за раз, но поначалу, конечно же, их не будет так много;
- "Топливное хранилище", из-за того, что корабль будет выходить на орбиту с полезной нагрузкой, но практически с пустыми баками, для полётов дальше орбиты Земли (в дальний космос), любому кораблю нужно будет дозаправиться на орбите, тут то и поможет уже находящаяся на орбите данная версия корабля, специально созданная для того, что бы за один раз заполнить баки другого корабля топливом и окислителем;
- "Заправщик", это та самая версия, оптимизированная для поднятия на орбиту как можно большего количества топлива, которая и будет заправлять "Топливное хранилище" под завязку, делая от 4 до 20 полётов (разброс пока большой, так как даже в самой "SpaceX" ещё не знают сколько заправок понадобится);
- "Первопроходец", совсем не обязательная, но тем не менее, возможная версия корабля Старшип, имеющая верхние посадочные двигатели для использования в "архитектуре первого полёта", для тех случаев, когда стандартные версии корабля не смогут примарситься из-за слишком мягкого реголита и опасности образовать кратер основными двигателями под кораблём.
Как мы видим для полётов в дальний космос без "Топливного хранилища" на орбите не обойтись. Так вот, а как же может выглядеть Старшип "топливное хранилище"?
Для начала нужно решить какие минимальные и максимальные задачи он будет выполнять, а так же, какими параметрами и свойствами он должен для этого обладать. Стоит так же сразу отметить, что версия Старшипа "Топливное хранилище" не требует наличия "плавников" и "теплозащитных плиток" (как минимум в привычном их виде). Но при этом, у неё обязательно будут солнечные панели и тепловые радиаторы.
Задача минимум- хранить на орбите минимально необходимое количество времени криогенные топливо и окислитель, которых хватит для полной дозаправки одного корабля.
Задача максимум- очень долго хранить на орбите необходимое количество криогенных топлива и окислителя для дозаправки нескольких кораблей.
Из этого следует, что "Топливное хранилище" должно будет обладать свойствами препятствующими испарению криогенных топлива и окислителя, а так же уменьшать степень нагрева корабля Солнцем.
Какими же способами можно этого добиться?
1) Самый банальный способ уменьшить нагрев корабля солнцем- это увеличить его альбедо или же, если простым языком, покрасить корабль белой краской. Тем самым уменьшив количество тепловой энергии поглощённой корпусом и передачу её криогенным топливу и окислителю для их испарения. Вообще, блестящая сталь и сама по себе хорошо отражает излучение солнца (как зеркало), но белая краска всё же с этим справится лучше (на подобие белоснежного "Лунного" Старшипа).
2) Покрытие корабля теплозащитными плитками, как и у версий для возвращения в плотные слои атмосферы, но с, теперь уже, белыми плитками. Как известно, плитки, которыми покрыт Старшип, очень плохо передают тепловую энергию сквозь себя, это свойство нам и нужно, что, в сочетании с белым цветом, здорово уменьшит количество тепловой энергии Солнца, дошедшей до корпуса корабля и до криогенных топлива и окислителя, соответственно.
3) Баки внутри корабля, разделённые с наружными стенками посредством вакуума, с минимально необходимым количеством креплений и топливопроводов, для минимизации связи с наружными стенками. Именно этот вариант и будет защищать криогенные топливо и кислород в малых посадочных баках, во время межпланетного перелёта Старшипа. И возможно именно этот вариант, с увеличенными внутренними баками может лечь в основу "топливного хранилища" (самый тяжёлый вариант, суть можно уловить в картинке ниже, только внутренние баки будут намного более большими).
4) Щит и пространственная ориентация, ещё один вариант защиты криогенной топливной пары Старшипа, это установка между кораблём и Солнцем теплозащитного экрана ,на подобие того, который имеет солнечный зонд "Parker", позволяющий приближаться к Солнцу на рекордно близкие расстояния и не перегреваться. А для максимальной оптимизации данного щита, или же для уменьшения его площади и вместе с тем и массы, необходимо установить его перед носом Старшипа и постоянно поддерживать такую пространственную ориентацию, вертикально по отношению к Солнцу, при которой корабль всегда будет в тени щита, что не так уж и сложно на самом деле.
5) Активное охлаждение, ещё одно возможное решение проблемы нагрева криогенных топлива и окислителя солнечным излучением. При данном подходе, топливо и кислород, некоторое количество которых неминуемо нагреется и перейдёт из жидкого состояния в газообразное, должно будет собираться в специальный небольшой бак и там снова охлаждаться и сжижаться, после чего возвращаться обратно в большие баки. Для данного способа понадобиться раскрутить корабль вокруг своей оси (альтернатива- постоянное ускорение, но оно требует слишком много топлива и окислителя, потому и не подходит), тогда жидкость и газ в баках разделятся и их можно будет откачивать/закачивать без перемешивания. Так же понадобится очень много энергии- большие солнечные панели и такие же большие тепловые радиаторы для избавления от излишков тепла. Это энергетически самый затратный способ.
Вообще, нечто схожее, если я ничего не путаю, анонсировали "Blue Origin", но вот источник найти так и не смог(.
6) Наружный бак или же обтекатель, при запуске корабля используется обтекатель, он нужен для защиты полезной нагрузки от негативного воздействия плотных слоёв атмосферы, после запуска обтекатель, обычно, сбрасывается и сгорает в атмосфере. Но что если сделать эдакий аналог обтекателя, но для Старшипа и не сбрасывать его, а оставить для защиты основного (несущего) корпуса корабля от нагрева?
Данный подход схож с концепцией "внутренних баков", расположенных внутри основных и имеющих вакуумную прослойку. Однако, используя подход "внутренних баков" здорово возрастает сухая масса корабля, я бы даже сказал на треть и это просто неприемлемо. Хотя, вакуумная защита уж очень хороша. Так как же сохранить теплоизоляцию вакуумом и не брать на орбиту столько лишней массы?
Необходимо создать не внутренние баки, а один наружный!
История создания ракет из нержавеющей стали отнюдь не начинается со Старшипа. Одними из более ранних представителей стальных ракет- является семейство ракет "Atlas", где толщина стали, в зависимости от места расположения на ракете, могла иметь толщину от 1,27 мм до 0,127 мм (что сравнимо с лезвием бритвы!). Жёсткость, для настолько тонких стенок баков, создавалась давлением газа наддува, а не рёбрами жёсткости.
Используя данный подход, можно создать вокруг основного "несущего" корпуса корабля второй "наружный" из тонкой стали, куда намного тоньше основного корпуса и намного легче, оставляя небольшой промежуток с основным корпусом, стараясь использовать как можно меньше креплений связывающих наружный корпус с внешним и передающих теплоту. Затем останется загерметизировать пространство между "обтекателем" и кораблём. А для придания жёсткости, данной конструкции используем надув. После выхода на орбиту воздух стравливается в космос и пространство между "обтекателем" и кораблём становится вакуумом, который является отличным теплоизолятором.
На самом деле, у данного подхода есть и ещё один внезапный плюс- защита от микрометеоритов. Да, примерно таким же образом она устроена и на "МКС". Поверх основного корпуса расположен тоненький металлический слой и когда с ним сталкивается космическая песчинка (имеющая огромную скорость), она мгновенно испаряется, пробивает защитный слой, но до основного корпуса доходит лишь облачко газа (плазмы), которое уже не может причинить ему никакого вреда.
Мар_сиане, а какие способы защиты криогенных топлива и окислителя на орбите использовали бы вы (я бы выбрал сочетание 5 и 6)? Или может знаете ещё какие нибудь способы защиты?
Ещё больше околокосмических и игровых интересностей в ВК: vk.com/mar_tians
Телеграм: t.me/mar_tians
Так же подписывайтесь на ютуб канал, цель 100 подписчиков, для начала публикации новостей и там: youtube.com/mar_tians